JP2014176349A

JP2014176349A - 細胞培養装置と細胞培養方法

Info

Publication number: JP2014176349A
Application number: JP2013052581A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Yamauchi; 敏明山内; Takeshi Nomura; 剛野村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-09-25

Abstract

【課題】培養液の交換の作業時間の短縮、およびそれに伴う培養容器の蓋の脱着作業の時間短縮を実現できる細胞培養装置を提供することを目的とする。
【解決手段】この細菌培養装置は、蓋付きの複数の培養容器（Ｐ１〜Ｐ８）を載せたトレイ（Ｔ１）を、アーム（７）が培養室から交換室のテーブル（８）に搬送し、到着したトレイにセットされている複数の培養容器（Ｐ１〜Ｐ８）に対して、蓋（６）を順々に蓋ストッカー（１０）に回収し、蓋が外された培養容器本体（５）の培養液を一斉に交換し、蓋ストッカー（１０）に回収されている蓋（６）を順々に培養容器本体（５）に戻す制御装置を設けたことを特徴とする。
【選択図】図８

Description

本発明は培養液の自動交換を実施する細胞培養装置に関する。

特許文献１には、試料にバーコードを付けて個体識別し、処理装置の庫内での前記試料の保管場所、前記試料に対する処理内容などを、前記バーコードに関連づけて自動管理する技術が記載されている。

特許文献２には、同一形状の複数の培養容器を庫内で搬送する場合に、単一のトレイに、複数の培養容器をセットして、格納、移動させる技術が記載されている。
特許文献３には、培養容器に対して、搬送、蓋の脱着、薬剤吸引時の容器姿勢制御を、多関節ロボットに実施させて自動化する技術が記載されている。

特許文献４には、複数の培養容器のディッシュを、円形のテーブルにこのテーブルの形状に沿って環状にセット、一つのディッシュに対するロボットによる処理が終了するたびに、前記テーブルを回転させて、ロボットがアクセスする作業対象を、次ぎに処理を受けるディッシュのセット位置に入れ換える技術が開示されている。

特開２０００−９３１５７号公報特開２００５−２８７４６６号公報特開２００６−１４９２６８号公報特開２００９−２９１１０３号公報

温度管理された培養室に多数の培養容器を格納して、前記培養容器にセットされた細胞を培養するためには、培養液の交換、培養状態の観察、これら作業に伴う培養容器の蓋の脱着作業を、定期的に繰り返して実施することが必要である。

このような係員による手作業を軽減するために、特許文献１〜４に見られる自動化技術が開発されているが、係員の手作業の工程をロボット作業に置換した自動化であるため、特に、培養液の交換、培養容器の蓋の脱着作業の作業性が低いのが現状である。

本発明は、培養液の交換の作業時間の短縮、およびそれに伴う培養容器の蓋の脱着作業の時間短縮を実現できる細胞培養装置を提供することを目的とする。

本発明の細胞培養装置は、蓋付きの複数の培養容器が環状に配置されその内側に貫通孔が形成されたトレイと、前記トレイを格納する培養室と、前記培養室に隣接して配置された交換室と、前記培養室と前記交換室の間で前記トレイを作業位置に搬送するハンドリング装置と、前記作業位置に到着した前記トレイの前記貫通孔の下部に位置する蓋ストッカーと、前記蓋ストッカーを昇降駆動する昇降装置と、前記作業位置に到着した前記トレイを回転させるテーブル回転装置と、前記交換室に搬入された前記トレイの前記培養容器の蓋を取り外して前記蓋ストッカーに順に受け渡し、全ての前記蓋が開放された複数の前記培養容器の培養容器本体の培養液を一斉に交換する培養液交換装置と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の細胞培養方法は、培養液の交換対象の複数の培養容器が載せられたトレイを、培養室から交換室へ出庫する出庫工程と、前記複数の培養容器の蓋を取り外し、前記トレイに設けられた貫通孔を介して、蓋ストッカーへ受け渡す蓋取出工程と、前記トレイ上の全ての前記複数の培養容器の蓋を取り除いた後、前記複数の培養容器の培養液の交換を行う培養液交換工程と、前記蓋ストッカーから前記作業位置の前記複数の培養容器へ前記蓋を装着する蓋装着工程と、培養液の交換が完了した前記複数の培養容器が載せられた前記トレイを前記交換室へ入庫する入庫工程と、を含むことを特徴とする。

この構成によると、蓋付きの複数の培養容器を載せたトレイを、ハンドリング装置が培養液交換装置の作業位置に搬送し、作業位置に到着したトレイにセットされている複数の培養容器に対して、培養容器本体に被せられた蓋を順々に蓋ストッカーに回収し、蓋が外された培養容器本体の培養液を一斉に交換し、蓋ストッカーに回収されている蓋を順々に培養容器本体に戻すので、培養容器毎に蓋の開け閉めと培養液の交換を行う場合に比べて、培養液の交換の時間短縮、およびそれに伴う培養容器の蓋の脱着作業の時間短縮を実現できる。

本発明の細胞培養装置の実施の形態１の平面図同実施の形態の側面図同実施の形態の制御装置のフロー図同実施の形態の待機位置の側面図同実施の形態の１枚目のトレイを培養室から引き出す状態の側面図同実施の形態のトレイが交換室の作業位置に到着した状態の側面図同実施の形態の蓋回収開始状態の要部の（ａ）側面図と（ｂ）平面図同実施の形態の蓋を蓋ストッカーに搬入した状態の要部の（ａ）側面図と（ｂ）平面図同実施の形態の２枚目の蓋を蓋ストッカーに搬入した状態の要部の（ａ）側面図と（ｂ）平面図同実施の形態の８枚目の蓋を蓋ストッカーに搬入した状態の要部の（ａ）側面図と（ｂ）平面図実施の形態２の培養容器本体の斜視図同実施の形態の培養用器本体をトレイにセットした状態の（ａ）平面図と（ｂ）要部の拡大斜視図同実施の形態のコード読み取り状態の側面図同実施の形態の培養容器本体の別の例を示す側面図培養容器本体の更に別の例を示す（ａ）平面図と（ｂ）側面図

（実施の形態１）
図１と図２は細胞培養装置の平面図と側面図を示す。
庫内温度が目標温度に温度制御されている培養室Ａに隣接して交換室Ｂが形成されている。また、培養室Ａの前面には、複数個の培養容器Ｐが載置された複数のトレイＴ１，Ｔ２，・・・・を、係員が出し入れするための開閉扉１が設けられている。ここでは培養室Ａと交換室Ｂを収容しているハウジングの外壁は、内部を示すために図示されていない。

また、この実施の形態では、上下方向に間隔を空けて５つのトレイＴ１〜Ｔ６を収納するラック２が培養室Ａの庫内に形成されている。ラック２は第１昇降装置３によって駆動されて昇降駆動される。培養室Ａの背面で交換室Ｂとの隔壁には、トレイ取り出し用のゲートＧが設けられている。

トレイＴ１〜Ｔ６は、中央に孔４が形成された環状で、孔４とトレイ外周の間で孔４の周りに培養容器Ｐ１〜Ｐ８が載置されている。培養容器Ｐ１〜Ｐ８は、例えば、図４に示すように容器本体としてのディッシュ本体５とこのディッシュ本体５に被せられた蓋６で構成されている。また、個体識別するために各ディッシュ本体５にはバーコード，ＱＲコード（登録商標）などのコードが付けられている。

交換室Ｂには、培養室Ａと交換室Ｂの間でトレイＴ１〜Ｔ６を作業位置に搬送するハンドリング装置として、培養室Ａの背面に向かって接近離間するパンタグラフ式のアーム７が設けられている。また、交換室Ｂには、作業位置に設けられたテーブル８と、テーブル８を回転させるテーブル回転装置９と、作業位置に到着してテーブル８に載置されたトレイの貫通孔４を通過して移動可能な蓋ストッカー１０と、カメラ１１と、バーコードリーダ１２と、培養液交換装置１３が設けられている。

培養液交換装置１３は、テーブル８上に到着した時々のトレイＴ１〜Ｔ６にアクセスするように、テーブル８の上方位置に配置されている。
この細胞培養装置の各装置は、制御装置１４によって指示されて、培養室Ａに格納された一段目のトレイＴ１に対して処理を実行すると、二段目以降のトレイＴ２〜Ｔ６についても同じ処理を実施するように構成されている。

ここでは制御装置１４の構成を、一段目のトレイＴ１に対する処理手順に基づいて説明する。図３は制御装置１４のフローチャートを示す。
動作の開始の直前には、図４に示すように培養室ＡのトレイＴ１がゲートＧの位置に来るように第１昇降装置３によって昇降駆動する。

ステップＳ１では、制御装置１４は、開閉扉１が閉鎖されている状態であることを確認してからゲートＧを開放するとともに、アーム７を前側に前進させて、図５に示すように、開放されたゲートＧから培養室Ａに格納された一段目のトレイＴ１の下側に差し入れる。そして、図６に示すように、アーム７を後退させて、トレイＴ１をテーブル８に載置する。トレイＴ１の出庫が完了するとゲートＧは直ちに閉じられる。

なお、ここではテーブル８に載置された一段目のトレイＴ１にセットされている培養容器Ｐ１〜Ｐ８が角度４５°おきにセットされており、図１と図７に示すように、培養容器Ｐ１の初期位置が０°（＝３６０°），培養容器Ｐ３の初期位置が９０°，培養容器Ｐ５の初期位置が１８０°，培養容器Ｐ７の初期位置が２７０°であるとして説明する。図７（ａ）は、０°（＝３６０°）と１８０°を結ぶ断面図を示し、平面図を図７（ｂ）に示す。

ステップＳ２では、図７に示すようにバーコードリーダ１２が１８０°の位置に到着したディッシュ本体からバーコードを読み取るように配置されている。
テーブル８にトレイＴ１が正確に移載されている場合には、バーコードリーダ１２が培養容器Ｐ５のディッシュ本体のバーコードを搬入初期位置として読み取る。なお、トレイＴ１の移載がずれている場合には、バーコードリーダ１２がいずれかのディッシュ本体のバーコードを読み取るまでテーブル８を回転させる。さらに、第２昇降装置１５が蓋ストッカー１０を開始位置まで上昇させる。

蓋ストッカー１０は、図７（ｂ）に示すように０°の位置に向かって各収納位置の側面が解放されている。更に、各段の収納棚１６には、培養液交換装置１３に設けられた吸着ノズル１７が蓋ストッカー１０の内部へ進入できるように、切り欠き１８が形成されている。

ステップＳ３では、図８に仮想線で示すように、培養液交換装置１３が培養容器Ｐ１の蓋６を吸着ノズル１７が吸着して持ち上げた後に、吸着ノズル１７が中央の蓋ストッカー１０に移動して、培養容器Ｐ１の蓋６を蓋ストッカー１０の一段目に搬入して前記吸着が解除される。次に、蓋ストッカー１０が第２昇降装置１５によって１段分だけ下側に下げられる。

ステップＳ４では、全ての培養容器の蓋６が回収されたかチェックする。この場合には、培養容器Ｐ１の蓋６を回収した段階なので、次いでステップＳ５を実行する。
ステップＳ５では、テーブル回転装置９がテーブル８を反時計方向に４５°回転させてステップＳ３に戻る。そして図９（ａ）（ｂ）に示すように培養容器Ｐ２の蓋６を吸着保持して蓋ストッカー１０の２段目に回収する。以下、同様にステップＳ３〜Ｓ５のルーチンを繰り返して８枚目の蓋６を蓋ストッカー１０の８段目に回収すると、ステップＳ４において回収完了と判定される。この状態では、トレイＴ１にセットされた培養容器Ｐ１〜Ｐ８の全ての蓋６が取り外されて、トレイＴ１には各ディッシュ本体５だけが残されている。

ステップＳ６では、図１０（ａ）（ｂ）に示すように培養液交換装置１３から、トレイＴ１の全てのディッシュ本体５に対して第１ノズル１９と第２ノズル２０を差し込む。
具体的には、最初に第１ノズル１９を介して使用済みの培養液をディッシュ本体５から一斉に吸い上げて除去する。除去が終了すると第２ノズル２０を介して、新しい培養液をディッシュ本体５に一斉に注入する。培養液の一斉注入が完了すると、全ての第１，第２ノズル１９，２０を一斉に引き上げる。培養液の交換が完了すると、第１，第２ノズル１９，２０をディッシュ本体５から一斉に引き上げる。

なお、２つのノズル１９，２０は同時に差し込んでも、引き上げてもよい。それぞれ個別に差し込み、引き上げてもよい。
ステップＳ７では、最後の蓋であったかをチェックする。ここでは最後に蓋６が取り外された蓋であるため、ステップＳ８を実行して、０°位置の培養容器Ｐ８のディッシュ本体５が、１８０°の位置になるようにテーブル回転装置９によってテーブル８を１８０°回転させる。

ステップＳ９では、カメラ１１によって最初に培養容器Ｐ５の状態を撮影し、バーコードリーダ１２が読み取ったバーコードと関連づけて画像データを保存する。
ステップＳ１０では、全ての培養容器の撮影を完了したかチェックする。この場合には、培養容器Ｐ８の撮影を完了した段階なので、次いでステップＳ１１を実行してテーブル８を時計方向に４５°回転させてステップＳ９に戻る。そしてステップＳ９〜Ｓ１１のルーチンを繰り返して残りの培養容器Ｐ７，Ｐ６，Ｐ５，Ｐ４，Ｐ３，Ｐ２，Ｐ１をカメラ１１が撮影して、その都度にバーコードリーダ１２が読み取ったバーコードと関連づけて画像データを保存する。

全ての培養容器Ｐ１〜Ｐ８の撮影が完了すると、ステップ１２を実行する。
ステップ１２では、テーブル回転装置９によってテーブル８を反時計方向に１３５°回転させる。そして、ステップＳ３〜Ｓ５のルーチンで蓋ストッカー１０に回収した各蓋６を、逆工程、テーブル８の逆回転によって、それぞれのディッシュ本体５に戻して蓋をする。

具体的には、この時点の蓋ストッカー１０の８段目の棚には、培養容器Ｐ８から回収した蓋６がストックされているため、最初に培養容器Ｐ８のディッシュ本体５が０°の位置に来たときに、蓋ストッカー１０の８段目の棚の蓋６を吸着ノズル１７が吸着保持して、０°の位置の培養容器Ｐ８のディッシュ本体５に被せる。以下同様に、テーブル８を反時計方向に４５°回転させるたびに、蓋ストッカー１０の棚の蓋６を吸着ノズル１７が吸着保持して、培養容器Ｐ７，Ｐ６，Ｐ５，Ｐ４，Ｐ３，Ｐ２，Ｐ１のディッシュ本体５に、順々に被せる。

トレイＴ１の全ての培養容器Ｐ１〜Ｐ８に対する処理が完了すると、ステップＳ１３ではアーム７によってトレイＴ１を培養室Ａの一段目に返却する。
ステップＳ１４では、６枚の全てのトレイに対する処理が完了したかをチェックして、完了していない場合には、ステップＳ１に戻って、ステップ１２で培養室Ａの全てのトレイＴ１〜Ｔ６に対する培養液の交換が完了したと判定するまで繰り返す。

なお、係員によって「観察動作」が設定されていない場合には、ステップＳ９〜Ｓ１１の撮影ルーチンを飛び越して、ステップＳ７に次いでステップＳ１２の「逆工程で蓋を再セット」を直ちに開始する。

このように、各トレイにセットされた複数の培養容器Ｐ１〜Ｐ８に対して、全ての蓋６を取り外して、培養容器Ｐ１〜Ｐ８のディッシュ本体５の培養液を一斉に、短時間で交換することが出来る。

また、取り外した各培養容器Ｐ１〜Ｐの蓋６を、環状のトレイの孔４を昇降する蓋ストッカー１０に順に積み重ねて回収しているため、回収した蓋の保管スペースの小型化と、吸着ノズル１７の移動距離の短縮化を実現できる。

更に、蓋を取り外して蓋ストッカー１０へ回収した逆工程によって、各ディッシュ本体５に間違いなく取り外した蓋を戻すことが出来る。
また、吸着ノズル１７が蓋６をディッシュ本体５から持ち上げた高さに、蓋ストッカー１０の回収の棚１６が待機するように第２昇降装置１５を運転している。また、蓋をディッシュ本体へ戻す際にも、吸着ノズル１７が吸着する蓋が保管されている棚１６の高さを、ディッシュ本体よりも僅かに高い高さで待機するように第２昇降装置１５を運転しているので、蓋６の脱着に必要な吸着ノズル１７の移動経路を短縮化を実現できる。

また、アーム７による培養室Ａから交換室ＢへのトレイＴ１〜Ｔ６の引き出し高さについても、回転テーブル８と同じ高さ、もしくは略同じ高さになるように、第１昇降装置３を運転している。

上記の説明では、培養液の交換直後に、培養容器Ｐ８を１８０°の位置に空送りしてからカメラ１１による撮影を開始したが、０°の位置の培養容器Ｐ８を１８０°の位置に送る間に、培養容器Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７を撮影して、その都度にバーコードリーダ１２が読み取ったバーコードと関連づけて画像データを保存するように、制御装置１４を構成することによって、培養容器Ｐ８の撮影が終わってから０°の位置へ戻して蓋６のセットを開始するまでの時間を短縮できる。

（実施の形態２）
この実施の形態２は、上記の各実施の形態のディッシュ本体５とトレイＴ１の具体例を示している。

図１１に示すように、ディッシュ本体５の外周面には、１８０°の角度差で突起３１ａ，３１ｂが形成されている。また、ディッシュ本体５の外周面には突起３１ａ，３１ｂと規定の角度ずらした位置に、ここでは９０°の位置にバーコードラベル３２ａ，３２ｂが貼り付けられている。

トレイＴ１の側には、図１２（ａ）（ｂ）に示すように突起３１ａ，３１ｂに対応して、位置決め用のブラケット３３ａ，３３ｂが、各ディッシュ本体５がセットされる位置にそれぞれ形成されている。

このように、トレイＴ１の各ディッシュ本体５がセットされる位置にブラケット３３ａ，３３ｂを形成したため、ブラケット３３ａ，３３ｂに突起３１ａ，３１ｂが入り込むように各ディッシュ本体５をトレイにセットすることによって、トレイＴ１における各ディッシュ本体５の位置を、正確に規定できる。なお、突起３１ａ，３１ｂの断面形状を丸形状にするとともに、ブラケット３３ａ，３３ｂの内側の角に、内側に向かって低くなる傾斜面３４を形成することによって、ディッシュ本体５をトレイＴ１にセットするときの位置制御が簡単で、作業性が良好である。

図１３は上記のようにトレイＴ１にセットされた各ディッシュ本体５のバーコードラベル３２ａまたは３２ｂを読み取る状態を示している。前記カメラ８の撮影位置にあるディッシュ本体５のバーコードラベル３２ａまたは３２ｂを、カメラ８とは別のカメラ３５が、斜め方向から撮影し、その画像からバーコードを読み取って識別する。

（実施の形態３）
実施の形態２では、突起３１ａ，３１ｂがディッシュ本体５の底部から距離Ｌだけ上がった位置に形成されていたが、図１４では突起３１ａ，３１ｂの下端が、ディッシュ本体５の底部と面一に形成されている点だけが、実施の形態３とは異なっている。

図１５（ａ）（ｂ）は更に別の具体例を示している。
上記の各具体例では、ディッシュ本体５に２つの突起３１ａ，３１ｂが設けられていたが、図１５に示した例では、ディッシュ本体５に一つだけの突起３１ａを設け、その代わりに突起３１ａとは１８０°異なる位置のトレイＴ１の位置に、ディッシュ本体５の外形に当接する凹部３６ｂが形成されたブラケット３６を形成して、トレイＴ１におけるディッシュ本体５の位置決めを行っている。

実施の形態１では、０°の位置で蓋６を取り外し、カメラ１１による撮影とバーコードリーダ１２による読み取り位置が１８０°の位置で実施されていたが、カメラ１１とバーコードリーダ１２の取り付け位置を０°の位置またはその近傍に配置するとともに、制御装置１４のフローを修正することによって、蓋６の取り外しの直後に、０°位置またはその近傍位置のディッシュ本体５の撮影とバーコードの読み取りを実行することもできる。

本発明は、限られた期間により多くの培養試料を扱う分野の細胞培養装置の実現に寄与する。

Ａ培養室
Ｂ交換室
Ｐ１〜Ｐ８培養容器
Ｔ１〜Ｔ６トレイ
Ｇゲート
１開閉扉
２ラック
３第１昇降装置
４トレイの貫通孔
５ディッシュ本体
６蓋
７アーム
８テーブル
９テーブル回転装置
１０蓋ストッカー
１１カメラ
１２バーコードリーダ
１３培養液交換装置
１４制御装置
１５第２昇降装置
１６収納棚
１７吸着ノズル
１８収納棚１６の切り欠き
１９第１ノズル
２０第２ノズル

Claims

蓋付きの複数の培養容器が環状に配置されその内側に貫通孔が形成されたトレイと、
前記トレイを格納する培養室と、
前記培養室に隣接して配置された交換室と、
前記培養室と前記交換室の間で前記トレイを作業位置に搬送するハンドリング装置と、
前記作業位置に到着した前記トレイの前記貫通孔の下部に位置する蓋ストッカーと、
前記蓋ストッカーを昇降駆動する昇降装置と、
前記作業位置に到着した前記トレイを回転させるテーブル回転装置と、
前記交換室に搬入された前記トレイの前記培養容器の蓋を取り外して前記蓋ストッカーに順に受け渡し、全ての前記蓋が開放された複数の前記培養容器の培養容器本体の培養液を一斉に交換する培養液交換装置と、を含む
細胞培養装置。
前記トレイは、円盤状であり、中央に貫通孔がある
請求項１記載の細胞培養装置。
前記蓋ストッカーには、前記蓋をその側面から挿入し、個別に保持し、蓋同士が接触しない棚を有する
請求項１または２記載の細胞培養装置。
複数の前記培養容器には、それぞれ突起があり、前記トレイには、それぞれの前記突起に対応した凹部がそれぞれある
請求項１〜３のいずれか１項に記載の細胞培養装置。
培養液の交換対象の複数の培養容器が載せられたトレイを、培養室から交換室へ出庫する出庫工程と、
前記複数の培養容器の蓋を取り外し、前記トレイに設けられた貫通孔を介して、蓋ストッカーへ受け渡す蓋取出工程と、
前記トレイ上の全ての前記複数の培養容器の蓋を取り除いた後、前記複数の培養容器の培養液の交換を行う培養液交換工程と、
前記蓋ストッカーから前記作業位置の前記複数の培養容器へ前記蓋を装着する蓋装着工程と、
培養液の交換が完了した前記複数の培養容器が載せられた前記トレイを前記交換室へ入庫する入庫工程と、を含む
細胞培養方法。
前記蓋取出工程では、前記トレイを正回転させ、前記蓋を前記複数の培養容器から取り外し、前記順番に前記蓋ストッカーに保管し、
前記蓋装着工程では、前記トレイを逆回転し、前記蓋ストッカーから、前記蓋を前記順番と逆の順番に取り出し、前記複数の培養容器にかぶせる
請求項５記載の細胞培養方法。
前記蓋ストッカーには、昇降機構があり、前記蓋を上下方向に保管でき、
前記蓋取出工程と前記蓋装着工程とで、前記トレイの回転方向と前記蓋ストッカーの昇降方向とが逆である
請求項６記載の細胞培養方法。
前記培養液交換工程では、前記複数の培養容器の前記培養液を一斉に交換する
請求項５〜７のいずれか１項に記載の細胞培養方法。
前記出庫工程で、前記培養室から前記交換室への前記トレイの引き出し高さが、前記蓋取出工程、前記培養液交換工程での作業高さと同じである
請求項５〜８のいずれか１項に記載の細胞培養方法。